L14-光電材料復(fù)習(xí)

2023/2/41光電材料課程

復(fù)習(xí)提綱2023/2/42一、半導(dǎo)體中的載流子

1本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體

2電子和空穴的統(tǒng)計(jì)分布

3費(fèi)米能級(jí)與載流子濃度的計(jì)算

4簡(jiǎn)并半導(dǎo)體

5電導(dǎo)率和遷移率霍爾效應(yīng)

6非平衡載流子二、p-n結(jié)

1p-n結(jié)及其能帶圖

2p-n結(jié)電流電壓特性

3p-n結(jié)電容

4p-n結(jié)擊穿2023/2/43三、固體表面及界面接觸現(xiàn)象

1表面態(tài)

2表面電場(chǎng)效應(yīng)

3金屬與半導(dǎo)體的接觸

4MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性四、固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

1半導(dǎo)體的光吸收

2半導(dǎo)體的光電效應(yīng)

3半導(dǎo)體發(fā)光五、半導(dǎo)體光電材料

1硅基和化合物光電材料六、光電材料的應(yīng)用

1光電顯示材料

2太陽(yáng)能電池試題類(lèi)型一、填空

(30分，每空1分)二、名詞解釋?zhuān)款}2分，共20分）三、問(wèn)答題（任選3題，每題10分，共30分）四、計(jì)算與求證題（每題

10分，共20分）2023/2/44§1半導(dǎo)體中的載流子本征半導(dǎo)體—化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。載流子:

半導(dǎo)體中的電子和空穴都是荷電粒子，并可在半導(dǎo)體內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)稱(chēng)為載流子。因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為復(fù)合。

本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。本征激發(fā)：在常溫下，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。2023/2/45§1半導(dǎo)體中的載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。p型半導(dǎo)體：摻入受主雜質(zhì)后空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（空穴半導(dǎo)體）。n型半導(dǎo)體：摻入施主雜質(zhì)后自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（電子半導(dǎo)體）。2023/2/46§1半導(dǎo)體中的載流子摻雜施主濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度時(shí)，自由電子濃度會(huì)遠(yuǎn)大于空穴濃度。這時(shí)自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。2023/2/47§1半導(dǎo)體中的載流子費(fèi)米分布函數(shù)在熱平衡條件下，能量為E的狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率為：費(fèi)米能級(jí)：

是標(biāo)志系統(tǒng)中電子填充量子態(tài)高低的一個(gè)參量，在絕對(duì)零度下，它是電子所能填充的最高量子態(tài)。

稱(chēng)為費(fèi)米分布函數(shù)2023/2/48§1半導(dǎo)體中的載流子

其中：NC被稱(chēng)為導(dǎo)帶有效能級(jí)密度

其中：NV被稱(chēng)為價(jià)帶有效能級(jí)密度電中性方程：對(duì)于非簡(jiǎn)并的雜質(zhì)半導(dǎo)體，總是成立的，稱(chēng)為質(zhì)量作用定律2023/2/49§1半導(dǎo)體中的載流子雜質(zhì)補(bǔ)償：由于受主的存在使導(dǎo)帶電子數(shù)減少，這種作用稱(chēng)為雜質(zhì)補(bǔ)償深能級(jí)雜質(zhì)：電離能比較大的雜質(zhì)2023/2/410§1半導(dǎo)體中的載流子簡(jiǎn)并半導(dǎo)體

費(fèi)米能級(jí)EF進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶的半導(dǎo)體。

①

非簡(jiǎn)并<-2

即，EC–EF>2kBT

②

弱簡(jiǎn)并-2<

<0

即，0<EC–EF<2kBT

③

簡(jiǎn)并

>0

即，EC–EF<02023/2/411§1半導(dǎo)體中的載流子電導(dǎo)率、遷移率和霍爾效應(yīng)其中n為電子遷移率其中p為空穴遷移率

電導(dǎo)率σ遷移率p2023/2/412§1半導(dǎo)體中的載流子對(duì)于兩種載流子的濃度相差懸殊而遷移率差別不大的雜質(zhì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，其電導(dǎo)率取決于多數(shù)載流子。①n型半導(dǎo)體n>>p②p型半導(dǎo)體p>>n③

本征半導(dǎo)體n=p=ni2023/2/413§1半導(dǎo)體中的載流子2023/2/414§1半導(dǎo)體中的載流子低溫范圍內(nèi)，載流子以雜質(zhì)激發(fā)為主，σ因雜質(zhì)濃度而不同。高溫范圍內(nèi)，載流子以本征激發(fā)為主，σ趨于一致。中間溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)全部電離，晶格散射隨溫度加強(qiáng)，使遷移率下降，因此σ隨溫度的升高反而下降。2023/2/415§1半導(dǎo)體中的載流子霍爾效應(yīng)

把通有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向和電場(chǎng)垂直，則在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。

2023/2/416§1半導(dǎo)體中的載流子霍爾電壓：I:電流強(qiáng)度t:樣品厚度2023/2/417§1半導(dǎo)體中的載流子總霍爾系數(shù)：本征半導(dǎo)體：霍爾系數(shù)為負(fù)n型半導(dǎo)體：霍爾系數(shù)為負(fù)p型半導(dǎo)體：低溫下霍爾系數(shù)為正高溫下霍爾系數(shù)變?yōu)樨?fù)

2023/2/418§1半導(dǎo)體中的載流子非平衡狀態(tài)半導(dǎo)體在外界條件作用下，處于與熱平衡態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱(chēng)為非平衡狀態(tài)。非平衡狀態(tài)下載流子濃度與熱平衡狀態(tài)下載流子濃度的差值，稱(chēng)為非平衡載流子。式中，n和p為非平衡狀態(tài)下的載流子濃度，△n和△p為非平衡載流子濃度。2023/2/419§1半導(dǎo)體中的載流子①n型半導(dǎo)體平衡態(tài)時(shí)的多數(shù)載流子為電子n０

非平衡多數(shù)載流子為△n

，非平衡少數(shù)載流子為△p

②p型半導(dǎo)體平衡態(tài)時(shí)的多數(shù)載流子為空穴p０非平衡多數(shù)載流子為△p

，非平衡少數(shù)載流子為△n通常說(shuō)的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子由于電子和空穴同時(shí)產(chǎn)生成對(duì)出現(xiàn)所以2023/2/420§1半導(dǎo)體中的載流子擴(kuò)散

擴(kuò)散產(chǎn)生原因：載流子濃度分布不均勻用適當(dāng)波長(zhǎng)的光均勻照射半無(wú)限的n型半導(dǎo)體，其表面載流子的濃度比體內(nèi)多。

式中，Dp為空穴擴(kuò)散系數(shù)，Sp為空穴擴(kuò)散流密度

，稱(chēng)為擴(kuò)散長(zhǎng)度2023/2/421§1半導(dǎo)體中的載流子

擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp反映非平衡載流子在遭遇復(fù)合前平均能擴(kuò)散多遠(yuǎn)，其物理意義是非平衡載流子濃度降至1/e所需要的距離。愛(ài)因斯坦關(guān)系式其中kB為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度2023/2/422§1半導(dǎo)體中的載流子電子和空穴在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)中都伴隨電流的出現(xiàn)?？昭娏鳎弘娮与娏鳎嚎傠娏鳎?023/2/423§2p-n結(jié)突變結(jié):在界面處雜質(zhì)濃度由NA（p型）突變?yōu)镹D（n型）,具有這種雜質(zhì)分布的p-n結(jié)稱(chēng)為突變結(jié)。如圖5-3單邊突變結(jié)：實(shí)際的突變結(jié)，兩邊雜質(zhì)濃度相差很多，通常稱(chēng)這種結(jié)為單邊突變結(jié)。突變結(jié)的雜質(zhì)分布：x<xj，N(x)=NA；x>xj，N(x)=ND2023/2/424§2p-n結(jié)擴(kuò)散法制備工藝：如圖5-4緩變結(jié):在這種結(jié)中，雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的。2023/2/425§2p-n結(jié)緩變結(jié)的雜質(zhì)分布：如圖5-5x<xj，NA(x)>ND(x)；x>xj，ND(x)>NA(x)線性緩變結(jié)：在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用x=xj的切線近似表示，則稱(chēng)為線性緩變結(jié)。2023/2/426§2p-n結(jié)

綜上所述，p-n結(jié)按雜質(zhì)分布可分為突變結(jié)和線性緩變結(jié)。合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)（p+-n結(jié)或n+-p結(jié)），一般認(rèn)為是突變結(jié)。而低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)，一般認(rèn)為是線性緩變結(jié)。內(nèi)建電場(chǎng)：p-n結(jié)中空間電荷區(qū)內(nèi)由電離施主和受主形成的由n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)。2023/2/427§2p-n結(jié)p-n結(jié)的能帶圖

當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成p-n結(jié)時(shí)，電子從費(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的p區(qū)，空穴從費(fèi)米能級(jí)低的p區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)。因此，EFn不斷下降，EFp不斷上升，直到EFn

=

EFp為止。這時(shí)，p-n結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EF

，p-n結(jié)處于平衡狀態(tài)。如圖5-72023/2/428§2p-n結(jié)2023/2/429§2p-n結(jié)

上式表明，VD和p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度有關(guān)。在一定溫度下，突變結(jié)兩邊的摻雜濃度越高，接觸電勢(shì)差VD越大；禁帶寬度越大，ni越小，VD越大。因?yàn)?，則2023/2/430§2p-n結(jié)即，由圖5-13可見(jiàn)，2023/2/431§2p-n結(jié)（b）外加反向偏壓由圖5-14可見(jiàn)，2023/2/432§2p-n結(jié)

當(dāng)增加正偏壓時(shí)，勢(shì)壘降得更低，增大了流入p區(qū)的電子流和流入n區(qū)的空穴流，這種由于外加正向偏壓的作用使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過(guò)程稱(chēng)為非平衡載流子的電注入。非平衡載流子：由于外界激發(fā)的作用，系統(tǒng)中高于熱平衡數(shù)值的“過(guò)?！陛d流子。2023/2/433§2p-n結(jié)

理想p-n結(jié)模型及電流電壓方程

1.理想p-n結(jié)必須滿(mǎn)足以下條件：（a）小注入條件：注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多。（b）突變耗盡層條件：外加電壓和接觸電勢(shì)差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。因此，注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。（c）通過(guò)耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用。（d）玻耳茲曼邊界條件：在耗盡層兩端，載流子分布滿(mǎn)足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布。2023/2/434§2p-n結(jié)令則上式為理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程，又稱(chēng)為肖克萊方程。理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程式：2023/2/435§2p-n結(jié)從p-n結(jié)模型的電流電壓方程可以看出：（a）p-n結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

在正向偏壓下，正向電流密度隨正向偏壓呈指數(shù)增加；在反向偏壓下，反向電流密度為常數(shù)，與外加電壓無(wú)關(guān)，故稱(chēng)為-Js為反向飽和電流密度。p-n結(jié)在正向偏壓下具有單向?qū)ㄐ?，在反向偏壓下具有整流特性?023/2/436§2p-n結(jié)p–n結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個(gè)電容器的充放電作用相似。這種p–n結(jié)的電容效應(yīng)稱(chēng)為勢(shì)壘電容，以CT表示。

2023/2/437§2p-n結(jié)雪崩擊穿：在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，p-n結(jié)內(nèi)載流子獲得加速后具有很大的動(dòng)能后與晶格原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生大量電子－空穴對(duì)使反向電流急劇加大的現(xiàn)象。隧道擊穿：在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價(jià)帶穿過(guò)禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。熱電擊穿：由于熱不穩(wěn)定性引起的p-n結(jié)擊穿，稱(chēng)為熱電擊穿。p-n結(jié)的擊穿

2023/2/438§2p-n結(jié)

當(dāng)外加電壓增加時(shí)，n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴和與它保持電中性的電子相應(yīng)增加。同樣，p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與它保持電中性的空穴也相應(yīng)增加。

這種由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱(chēng)為p–n結(jié)的擴(kuò)散電容，用符號(hào)CD表示。2023/2/43939§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象表面態(tài)：周期性勢(shì)場(chǎng)因晶格的不完整性（雜質(zhì)原子或晶格缺陷）的存在而受到破壞時(shí)，會(huì)在禁帶中出現(xiàn)附加能級(jí)，所以這些附加的電子能態(tài)被稱(chēng)為表面態(tài)。理想表面：在無(wú)限晶體中插進(jìn)一個(gè)平面，然后將其分成兩部分，這個(gè)分界面叫理想表面。2023/2/44040§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

由于半導(dǎo)體載流子濃度是有限的，要積累一定面電荷就要占相當(dāng)厚的一層，通常需要幾百以至上千個(gè)原子間距，稱(chēng)這一帶電的半導(dǎo)體表面層為空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)內(nèi)存在著電勢(shì)差，稱(chēng)這種半導(dǎo)體幾何表面與體內(nèi)之間的電勢(shì)差為半導(dǎo)體的表面勢(shì)，用符號(hào)Vs表示。2023/2/44141§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)多數(shù)載流子勢(shì)能陡起的情形稱(chēng)為表面勢(shì)壘。而半導(dǎo)體表面（x=0）處與內(nèi)部（x=d)處的勢(shì)能之差稱(chēng)為表面勢(shì)壘高度，勢(shì)壘高度用符號(hào)qVD表示。顯然，表面勢(shì)壘高度2023/2/44242§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

p型半導(dǎo)體5種表面層狀態(tài)多數(shù)載流子堆積態(tài)

外電場(chǎng)背對(duì)p型半導(dǎo)體，即Vs<0，表面處能帶上彎，半導(dǎo)體表面形成所謂多數(shù)載流子的堆積層。2023/2/44343§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/44444§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2.平帶狀態(tài)理想的自由半導(dǎo)體表面，沒(méi)有任何外界作用因素，表面能帶不發(fā)生彎曲，半導(dǎo)體表面處于平帶的狀態(tài)。3.耗盡狀態(tài)假設(shè)外電場(chǎng)指向p型半導(dǎo)體表面，Vs>0，表面處能帶向下彎曲。外電場(chǎng)作用使半導(dǎo)體表面勢(shì)壘高到足以使表面層的多數(shù)載流子幾乎喪失完，表面層的電荷密度基本上等于電離雜質(zhì)的濃度，這樣的半導(dǎo)體表面層稱(chēng)為多數(shù)載流子的耗盡狀態(tài)。2023/2/44545§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/44646§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象4.少數(shù)載流子反型狀態(tài)表面處的少數(shù)載流子（電子）濃度超過(guò)在該處的多數(shù)載流子（空穴）的濃度，形成了與原來(lái)半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類(lèi)型相反的表面層，稱(chēng)為少數(shù)載流子的反型層，如圖6-6所示。2023/2/44747§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/44848§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象弱反型條件:

強(qiáng)反型條件:可以看出，襯底摻雜質(zhì)濃度越高，出現(xiàn)反型所需要的VS就越大，就越難以達(dá)到強(qiáng)反型。2023/2/44949§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象一旦出現(xiàn)強(qiáng)反型，表面耗盡寬度就達(dá)到一個(gè)極大值，最大耗盡寬度為最大耗盡寬度由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和摻雜濃度來(lái)確定，對(duì)某一種材料NA越大，（或ND越大）xdm越??；對(duì)不同的材料，相同的摻雜，Eg越寬的材料，ni值越小，xdm越大。2023/2/45050§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象5.深耗盡狀態(tài)因?yàn)榭臻g電荷區(qū)中多子對(duì)外電場(chǎng)改變的響應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的（約10-12秒），而少子的響應(yīng)則要慢得多（約100~102秒），如果表面電場(chǎng)的幅度較大（其方向?qū)型半導(dǎo)體是由表面指向體內(nèi)）、變化又快（例如以階躍脈沖形式加上），則剛開(kāi)始的瞬間少子還來(lái)不及產(chǎn)生，因而也就沒(méi)有反型層，為屏蔽外電場(chǎng)，只有將更多的空穴（多子）進(jìn)一步排斥向體內(nèi)（空穴是多子，跟得上外電場(chǎng)變化），由更寬的耗盡層（大于強(qiáng)反型狀態(tài)時(shí)的耗盡層寬度）中的電離受主來(lái)承擔(dān)。這種非平衡狀態(tài)就叫深耗盡狀態(tài)。2023/2/45151§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

所有的金屬在

T＞0K的任何溫度下都會(huì)有少量的電子逸出金屬體外到空間中去，產(chǎn)生所謂熱電子發(fā)射。金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)k0為波爾茲曼常數(shù)；Wm稱(chēng)為該金屬的功函數(shù)（也有稱(chēng)為逸出功）。2023/2/45252§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象Wm越大，熱電子發(fā)射越困難，它標(biāo)志著電子被金屬束縛的強(qiáng)弱2023/2/45353§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

功函數(shù)標(biāo)志著起始能量等于費(fèi)米能級(jí)EF的電子由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需的最小能量。2023/2/45454§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

與金屬類(lèi)似，把E0與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)EFS之間的能量差，稱(chēng)為半導(dǎo)體的功函數(shù)，并用Ws表示為：2023/2/45555§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

用χ表示電子的親和能，它表示電子從半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底逸出體外所需要的最小能量，即：利用親和能，半導(dǎo)體的功函數(shù)又可以表示為：

式中En=Ec-EFS表示導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級(jí)能量之差。摻雜濃度不同，則En不同，所以不同摻雜濃度下功函數(shù)是不同的。2023/2/45656§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象接觸勢(shì)壘：金屬和半導(dǎo)體完全接觸之后，金屬和半導(dǎo)體之間相當(dāng)于有一個(gè)外電場(chǎng)作用于半導(dǎo)體表面，而且電場(chǎng)E0是由半導(dǎo)體指向金屬，使半導(dǎo)體表面出現(xiàn)正的空間電荷區(qū)，形成電子勢(shì)壘，稱(chēng)這種因金屬和半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生的半導(dǎo)體表面勢(shì)壘為接觸勢(shì)壘。2023/2/45757§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/45858§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象金屬和n型半導(dǎo)體接觸時(shí)有兩種情況:Wm<Ws

金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)Wm>Ws

金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)2023/2/45959§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象A:Wm<Ws金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，電子將從金屬流向半導(dǎo)體；在半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)；電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)；半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲

在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱(chēng)為反阻擋層。2023/2/46060§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，電子將從半導(dǎo)體流向金屬；在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)；電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面；半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，形成表面勢(shì)壘。B:Wm>Ws

在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域，稱(chēng)為阻擋層。。2023/2/46161§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象形成n型和p型阻擋層的條件Wm>WsWm<Ws

n型

p型阻擋層反阻擋層阻擋層反阻擋層2023/2/46262§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/46363§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

金屬與半導(dǎo)體接觸的整流特性

金屬和半導(dǎo)體接觸要具有整流特性，首要的條件是接觸必須形成半導(dǎo)體表面的阻擋層，即形成多數(shù)載流子的接觸勢(shì)壘。2023/2/46464§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

當(dāng)在阻擋層兩邊加上電壓V時(shí)，由于阻擋層是一個(gè)高阻區(qū)，外加電壓主要降落在阻擋層上，那么，阻擋層的表面勢(shì)變?yōu)椋╒s）0+V，因而電子勢(shì)壘高度變?yōu)椋?/p>

若金屬一邊接電源正極，N型半導(dǎo)體一邊接電源負(fù)極，則外加電壓降方向由金屬指向半導(dǎo)體V>0，外加電壓方向和接觸表面勢(shì)（Vs）0方向相反，使勢(shì)壘高度下降，電子可以順利地流過(guò)降低了的勢(shì)壘。2023/2/46565§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

當(dāng)電源電極性接法反過(guò)來(lái)，半導(dǎo)體一邊接正極，金屬一邊接負(fù)極，則外加電壓V<0與接觸表面勢(shì)（Vs）0方向相同，勢(shì)壘高度上升，從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)減少，而金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)占優(yōu)勢(shì)，形成一股由半導(dǎo)體到金屬的反向電流。

對(duì)P型阻擋層，金屬一邊接電源負(fù)極，而半導(dǎo)體一邊接正極，對(duì)應(yīng)為通流的方向，而金屬一邊接正極半導(dǎo)體一邊接負(fù)極對(duì)應(yīng)為阻流方向。2023/2/46666§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

歐姆接觸因?yàn)橐话愕陌雽?dǎo)體器件都必須用金屬電極輸入或輸出電流，這就要求在金屬和半導(dǎo)體之間形成良好的歐姆接觸，所謂良好的歐姆接觸，就是接觸電阻應(yīng)該很小同時(shí)還應(yīng)該具有線性的和對(duì)稱(chēng)的電流-電壓關(guān)系。2023/2/46767§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象目前在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)歐姆接觸的方法主要有兩種：其一是高摻雜接觸；其二是高復(fù)合接觸。2023/2/46868§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

理想MIS結(jié)構(gòu)電容

MIS結(jié)構(gòu)是由金屬、絕緣層以及半導(dǎo)體組成的（Metal+Insulator+Semiconductor）2023/2/46969§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象首先假設(shè)MIS結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足下列所謂理想的條件：金屬和半導(dǎo)體之間功函數(shù)差為零；在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；絕緣層與半導(dǎo)體接觸界面處沒(méi)有任何界面態(tài)。MIS結(jié)構(gòu)的電容相當(dāng)于絕緣層電容C0和半導(dǎo)體空間電荷層電容CS的串聯(lián)。2023/2/47070§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象其中CS是隨外加電壓而改變的，如同一個(gè)可調(diào)電容一樣。2023/2/47171§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象MIS結(jié)構(gòu)電容C除以絕緣層電容C0，得到歸一化的MIS結(jié)構(gòu)電容2023/2/47272§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性以P型半導(dǎo)體為例討論MIS結(jié)構(gòu)歸一化C-V特性負(fù)偏壓較大負(fù)偏壓較小正向電壓不太大正向電壓遠(yuǎn)大于零高頻情況下，正向電壓很大2023/2/47373§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/47474§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

從圖6-20中可以看出，在開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時(shí)，用低頻信號(hào)測(cè)得的電容值接近絕緣層的電容C0,這與前面的討論是一致的。然而，在高頻信號(hào)時(shí)，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)強(qiáng)反型層后，電容達(dá)到了極小值，并不再隨外加偏壓VG而變化。2023/2/47575§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象對(duì)同一種半導(dǎo)體材料，當(dāng)溫度一定時(shí)，

/C0是絕緣層厚度d0及襯底雜質(zhì)濃度NA的函數(shù)。當(dāng)d0一定時(shí)，摻雜濃度NA越大

/C0的值也越大。

利用這一理論可以測(cè)半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度。2023/2/47676§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象考慮金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)差時(shí)MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性與原來(lái)理想的MIS結(jié)構(gòu)的相比較，只是其平帶點(diǎn)發(fā)生了變化，由原來(lái)的VG=0處移到了VG=VFB處。2023/2/47777§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象MIS結(jié)構(gòu)中絕緣層中存在電荷時(shí)，平帶電壓

平帶電壓與電荷在絕緣層的位置有關(guān)，當(dāng)電荷貼近半導(dǎo)體時(shí)，x=d0時(shí)，VFB=-Q/C0達(dá)到極大值，反之電荷貼近金屬表面時(shí)，x=0，VFB=0。這說(shuō)明電荷越接近半導(dǎo)體表面，對(duì)C-V特性影響就越大。若電荷位于金屬與絕緣層界面處時(shí)，對(duì)C-V特性沒(méi)有影響。2023/2/478當(dāng)MIS結(jié)構(gòu)絕緣層中存在電荷時(shí)，同樣可以把理想的C-V特性曲線沿電壓軸平移VFB的電壓，便得到了實(shí)際的C-V特性曲線。如果MIS結(jié)構(gòu)既存在金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差，又存在絕緣層中的電荷，那么C-V特性曲線所平移的平帶電壓，應(yīng)該是兩種因素所產(chǎn)生的平帶電壓的綜合結(jié)果?！?固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/479§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象光吸收分類(lèi)：本征吸收：光照后，電子由價(jià)帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收稱(chēng)為本征吸收。光子能量滿(mǎn)足的條件：固體的光電現(xiàn)象包括：光的吸收、光電導(dǎo)、光生伏特效應(yīng)和光的發(fā)射非本征吸收：激子吸收，自由載流子吸收，雜質(zhì)吸收，晶格振動(dòng)吸收等。2023/2/480§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象本征吸收長(zhǎng)波限的公式：

根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度，可以算出相應(yīng)的本征吸收長(zhǎng)波限。本征吸收的分類(lèi)：直接躍遷和間接躍遷2023/2/481§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

其他吸收過(guò)程(非本征吸收)Ⅰ激子吸收

價(jià)帶電子受激發(fā)后不足以進(jìn)入導(dǎo)帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫(kù)侖場(chǎng)作用。實(shí)際上，受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個(gè)新的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱(chēng)為激子，這樣的光吸收稱(chēng)為激子吸收。Ⅱ自由載流子吸收Ⅲ雜質(zhì)吸收Ⅳ晶格振動(dòng)吸收2023/2/482§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/483§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

光吸收使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子；而載流子濃度的增大必然使樣品電導(dǎo)率增大。這種由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。2023/2/484§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

無(wú)光照時(shí)，半導(dǎo)體樣品的（暗）電導(dǎo)率

在整個(gè)光電導(dǎo)過(guò)程中，光生電子與熱平衡電子具有相同的遷移率。因此，光照下樣品的電導(dǎo)率熱平衡時(shí)

附加電導(dǎo)率因?yàn)?023/2/485§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象光照引起的附加電導(dǎo)率（光電導(dǎo)）光電導(dǎo)的相對(duì)值2023/2/486§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象從而定態(tài)光電導(dǎo)率(恒定光照下產(chǎn)生的光電導(dǎo)率)

設(shè)光生電子和空穴的壽命分別為和，則定態(tài)光生載流子的濃度：2023/2/487§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

當(dāng)光照停止后光電導(dǎo)也是逐漸地消失。這種在光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停止后光電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象或叫做光電導(dǎo)的弛豫過(guò)程。

光電導(dǎo)的弛豫過(guò)程2023/2/488§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，光照使束縛于雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴電離，因而增加了導(dǎo)帶或價(jià)帶的載流子濃度，產(chǎn)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。和本征光電導(dǎo)相比，雜質(zhì)光電導(dǎo)是十分微弱的。同時(shí)，所涉及到的能量都在紅外光范圍，激發(fā)光實(shí)際上不可能很強(qiáng)。雜質(zhì)光電導(dǎo)2023/2/489§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射非均勻半導(dǎo)體（p-n結(jié)等）時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將p-n結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。這種由內(nèi)建電場(chǎng)引起的光電效應(yīng)稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)2023/2/490§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象通過(guò)結(jié)的正向電流IF其中，V是光生電壓，Is是反向飽和電流光生電流IL

其中，A是p-n結(jié)面積，q是電子電量，表示在結(jié)的擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)非平衡載流子的平均產(chǎn)生率。2023/2/491§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象VEhνRL+-IIFpnIL如果電池與負(fù)載電阻接成通路，通過(guò)負(fù)載的電流為

這就是負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性，其曲線如下圖。2023/2/492§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象無(wú)光照時(shí)有光照時(shí)2023/2/493§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象根據(jù)開(kāi)路電壓p-n結(jié)在開(kāi)路情況下，兩端的電壓即為開(kāi)路電壓。這時(shí)I=0，IL=IF

，開(kāi)路電壓為2023/2/494§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

將p-n結(jié)短路（V=0），因而IF=0，這時(shí)所得的電流為短路電流Isc

。短路電流根據(jù)Voc和Isc是光電池的兩個(gè)重要參數(shù)。2023/2/495§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象半導(dǎo)體發(fā)光

電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，伴隨著發(fā)射光子。這就是半導(dǎo)體的發(fā)光現(xiàn)象。產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)必須處于非平衡狀態(tài)，即半導(dǎo)體內(nèi)必須要有某種激發(fā)過(guò)程存在，通過(guò)非平衡載流子的復(fù)合，才能形成發(fā)光。電致發(fā)光:固體在加上電壓后的發(fā)光現(xiàn)象。它是由電場(chǎng)激發(fā)載流子，使電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過(guò)程。光致發(fā)光:固體在加上光照后的發(fā)光現(xiàn)象。2023/2/496

電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，如果躍遷過(guò)程伴隨放出光子，這種躍遷稱(chēng)為輻射躍遷(復(fù)合)

。不發(fā)射光子的稱(chēng)為無(wú)輻射躍遷(復(fù)合)

?！?固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象輻射躍遷(復(fù)合)光電材料產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)必須處于非平衡狀態(tài)。2023/2/497本征躍遷

導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶，與價(jià)帶空穴相復(fù)合，伴隨著發(fā)射光子，稱(chēng)為本征躍遷。它是本征吸收的逆過(guò)程。①直接帶隙半導(dǎo)體②間接帶隙半導(dǎo)體§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/498①直接帶隙半導(dǎo)體本征躍遷為直接躍遷。由于直接躍遷的發(fā)光過(guò)程只涉及一個(gè)電子–空穴對(duì)和一個(gè)光子，其輻射效率較高。

直接帶隙半導(dǎo)體是常用的發(fā)光材料。發(fā)射光子的能量：§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/499②間接帶隙半導(dǎo)體：本征躍遷為間接躍遷。在間接躍遷過(guò)程中，除了發(fā)射光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的幾率小得多。

硅、鍺都是間接帶隙半導(dǎo)體，他們的發(fā)光比較微弱。發(fā)射光子的能量：§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/4100非本征躍遷

電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級(jí)，或雜質(zhì)能級(jí)上的電子躍遷入價(jià)帶，或電子在雜質(zhì)能級(jí)之間的躍遷，都可以引起發(fā)光。這種躍遷稱(chēng)為非本征躍遷。對(duì)間接帶隙半導(dǎo)體，本征躍遷是間接躍遷，幾率很小。這時(shí)，非本征躍遷起主要作用。§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象1.激子輻射復(fù)合2.能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間的輻射躍遷3.施主與受主間的輻射躍遷2023/2/4101

電子和空穴復(fù)合時(shí)，也可以將能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)能量，這就是伴隨著發(fā)射聲子的無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程。

發(fā)光過(guò)程中同時(shí)存在輻射復(fù)合和無(wú)輻射復(fù)合。發(fā)光效率取決于非平衡載流子的輻射復(fù)合壽命和無(wú)輻射復(fù)合壽命的相對(duì)大小?！?固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象半導(dǎo)體的無(wú)輻射復(fù)合：不伴隨有發(fā)射光子的電子躍遷過(guò)程2023/2/4102(1)俄歇復(fù)合有三個(gè)載流子(兩個(gè)電子和一個(gè)空穴或兩個(gè)空穴和一個(gè)電子)參與的躍遷過(guò)程。如一個(gè)電子和一個(gè)空穴相復(fù)合時(shí)，所釋放出來(lái)的能量與動(dòng)量交給第三個(gè)載流子，它可以通過(guò)發(fā)射聲子將此能量耗散，或者引起其它效應(yīng)?！?固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/4103(2)表面復(fù)合由于表面態(tài)的存在而引起的表面處發(fā)生的無(wú)輻射復(fù)合。1)表面態(tài)一般存在于禁帶之中2)表面態(tài)具有俘獲載流子的本領(lǐng)(陷阱)3)表面態(tài)形成的陷阱可轉(zhuǎn)化為復(fù)合中心§4固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/4104(3)通過(guò)缺陷或摻雜物的復(fù)合如果半導(dǎo)體內(nèi)部含有的局部缺陷及微小摻雜物建立起連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)譜，則可能發(fā)生與表面能級(jí)似的內(nèi)表面復(fù)合。(4)多聲子復(fù)合受激電子在復(fù)合躍遷時(shí)釋放出的能量通常比聲子的能量要大得多，因此需要以較高的幾率發(fā)射出一定數(shù)目的聲子。這個(gè)無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程稱(chēng)為多聲子復(fù)合?！?固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/4